[논문]기하학적 특성을 이용한 프로펠러의 효율적인 5축가공

황종대; 윤일우

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.04.071

기하학적 특성을 이용한 프로펠러의 효율적인 5축가공
Efficient 5-axis Machining of a Propeller using Geometric Properties 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.4, 2020년, pp.71 - 78

황종대 (한국폴리텍대학 부산캠퍼스 기계시스템과) , 윤일우 (한국폴리텍대학 부산캠퍼스 기계시스템과)

Abstract ▼ AI-Helper

The rotary feed axes of a 5-axis machine tool can increase the freedom of the tool posture, while reducing feed speed and rigidity. In addition, as a ball-end mill is inevitably used during machining by rotational feed, the step-over length is reduced compared to the flat-end mill, thereby reducing the material removal rate. Therefore, this study attempts to improve the material removal rate, feed speed, and machining stability using the corner radius flat-end mill and a fixed controlled machining method for the rotary feed axes during roughing. In addition, the tapered ball-end mill and simultaneously controlled machining method for the rotary feed axes were used for finishing to improve the propeller's 5-axis machining efficiency by enhancing the surface quality. In order to create the tool path effectively and easily, we propose a specific approach for using the propeller's geometric properties and evaluate the effectiveness of the proposed method by comparing it with the method of the dedicated module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 회전이송에 의한 가공 시 불가피하게 볼엔드밀을 사용하게 되므로 평엔드밀에 비해 스텝오버 길이가 줄어들게 되어 소재제거율을 저하시킨다. 따라서 본 연구에서는 프로펠러의 황삭가공 시 코너레디우스 평엔드밀과 회전축 고정제어 방법을 사용하여 소재제거율, 이송속도 및 가공 안정성을 높이고, 정삭가공 시 테이퍼 볼엔드밀과 회전축 동시제어 방법을 사용하여 블레이드 표면의 미스매치와 과절삭이 없는 표면품질을 확보함으로써 프로펠러의 5축가공 효율성을 높인다.
본 연구에서는 프로펠러의 5축가공 시 기존의 회전축 동시제어 황삭에서 발생하는 이송속도 저하, 강성 저하에 따른 가공 불안정성 문제와 볼엔드밀 에 의한 소재제거율 저하 문제를 해결하기 위하여 기하학적 특성과 회전이송축의 매칭을 통한 코너레디우스 평엔드밀의 회전축 고정제어 황삭경로를 제안하였으며, 공구경로 생성의 편의성과 실용성을 향상하기 위하여 기하학적 특성과 벡터망을 통한 테이퍼 볼엔드밀의 회전축 동시제어 정삭경로를 제안하여 가공한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 프로펠러의 기하학적 특성을 이용하여 손쉽게 황삭 및 정삭 경로를 생성하기 위한 방법을 제시함으로써 가공시간 단축, 표면 품질 향상 등 효율적인 5축가공을 수행할 수 있도록 하며 전용 CAM 모듈과의 비교 검증가공을 통해 유효성을 평가한다.

제안 방법

Fig. 12의 (a)는 3차원 측정 S/W인 PC-DMIS에 프로펠러 모델링을 업로드 하고 측정요소를 선정한 장면으로 블레이드 페이스, 백 페이스 및 허브에 각각 5개의 포인트를 지정하였다. Fig.
2.2절에서 기술한 프로펠러 모델의 황삭경로를 생성하기 위하여 프로펠러의 트레일링 에지와 Z축이 이루는 각도를 비롯한 기하학적 특성과 5축가공의 틸팅 각도를 비롯한 회전축 특성을 매칭하는 방법을 사용하였다. 즉 모델링의 형상정보가 다소 상이하더라도 프로펠러 고유의 기하학적 특성에 근거하여 5축가공의 회전축 특성과 일치시킴으로써 공구경로 생성을 위한 일정한 규칙을 만드는 것이다.
포스트프로세싱을 수행하여 얻은 NC데이터를 사용하여 Fig. 10과 같이 Vericut S/W에서 절삭 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.

데이터처리

효과적이고 손쉽게 공구경로를 생성하기 위하여 프로펠러의 기하학적 특성을 활용하여 일정한 규칙을 제시하며 제시한 방법의 유효성을 검증하기 위하여 HyperMill의 전용모듈을 사용하여 가공한 후 상호 비교한다. 사용된 가공방법, 절삭조건, 5축가공기 및 소재는 Table 1에 제시한 바와 같다.

성능/효과

1. 기하학적 특성과 회전이송축의 매칭 기법을 활용하고 코너레디우스 평엔드밀을 이용한 회전축 고정제어 황삭은 소재제거율, 이송속도 및 가공 안정성을 높임으로써 기존의 전용모듈에 의한 회전축 동시제어 황삭에 비해 획기적인 가공시간 단축효과를 도출하였다.
2. 기하학적 특성과 벡터망을 이용한 회전축 동시 제어 정삭경로를 생성함으로써 CAM 작업 시 편의성과 실용성을 도모할 수 있으며 전용모듈에 의한 방법과 비교한 결과 형상정밀도 및 표면품질의 측면에서 요구공차 이내로 가공되어 제안한 방법의 실효성이 검증되었다.
실제가공에서도 제안한 방법의 황삭은 전용모듈에 의한 황삭에 비해 약 67% 가공시간 단축 효과를 나타내었다. 전체 공정에 걸친 가공시간 비교 결과 역시 제안한 방법은 전용모듈에 의한 방법에 비해 약 56%의 가공시간 단축효과를 보였다.
이러한 결과는 회전축 고정제어 황삭을 통하여 가감속 및 회전이송 특성의 단점을 보완하고 코너레디우스 평엔드밀을 사용하여 소재제거율을 향상함으로써 획기적인 가공시간 단축이 가능함을 보여준다.
실제가공에서도 제안한 방법의 황삭은 전용모듈에 의한 황삭에 비해 약 67% 가공시간 단축 효과를 나타내었다. 전체 공정에 걸친 가공시간 비교 결과 역시 제안한 방법은 전용모듈에 의한 방법에 비해 약 56%의 가공시간 단축효과를 보였다.
제안한 방법과 전용모듈에 의한 방법으로 가공한 프로펠러에 대하여 각각 표면조도를 구한 결과 Table 4와 같이 두 방법 모두 평균 표면조도가 3μm 이내로 측정되어 Table 1에서 제시한 정삭 Scallop height인 10μm 오차 범위 이내로 평가되었다.
12의 (b)는 BROWN & SHARP 사의 Global Image CMM을 사용하여 PC-DMIS에서 선정한 측정요소를 3차원 측정하는 장면이다. 제안한 방법과 전용모듈에 의한 방법으로 가공한 프로펠러에 대하여 형상정밀도 오차를 구한 결과 Table 3과 같이 각각 평균오차 0.038mm 및 0.041mm로서 두가지 방법 모두 일반적인 형상정밀도 공차인 0.05mm 이내로 분석되었다.
7배 더 소요되었다. 제안한 방법은 기존방법에 비해 시뮬레이션과 실제가공의 오차가 작아졌음을 알 수 있으며 그 이유는 회전축 고정 제어 가공을 통하여 가감속 및 회전이송 특성에 의한 가공시간 지연을 감소하였기 때문인 것으로 판단된다.
제안한 방법의 회전축 고정제어 황삭은 시뮬레이션에 비해 실제가공에서 2.5배 더 소요되었고, 전용모듈에 의한 회전축 동시제어 황삭은 시뮬레이션에 비해 2.7배 더 소요되었다. 제안한 방법은 기존방법에 비해 시뮬레이션과 실제가공의 오차가 작아졌음을 알 수 있으며 그 이유는 회전축 고정 제어 가공을 통하여 가감속 및 회전이송 특성에 의한 가공시간 지연을 감소하였기 때문인 것으로 판단된다.
Table 2는 제안한 방법과 전용모듈에 의한 방법 각각에 대하여 Vericut S/W에 의한 시뮬레이션가공 시간과 실제 5축가공 시간을 측정한 결과이다. 황삭시뮬레이션 결과 제안한 방법은 33.5분 소요된 반면 전용모듈에 의한 방법은 95.5분이 소요되어 약 65%의 가공시간 단축 효과를 나타내었다.

후속연구

3. 따라서 본 연구는 기하학적 특성을 이용하여 손쉽게 황삭 및 정삭 경로를 생성하고 가공시간을 단축하며, 표면 품질을 향상하는 등 프로펠러의 효율적인 5축가공에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프로펠러는 무엇인가?	임펠러는 회전 운동에너지를 반경방향의 유체에너지로 전환하는 반면 프로펠러는 축방향으로 전환함으로써 선박이나 기체를 추진하기 위한 핵심 부품이다. 최근 고부가가치 LNG선을 필두로 조선해양산업의 선진화를 추구하는 흐름이나 드론산업의 폭발적인 수요에 비추어 볼 때 고성능의 프로펠러 설계 및 제작은 필수적이다.
	본문에서 설명하는 표면 품질을 높이기 위한 방안은 무엇인가?	프로펠러 제작에 요구되는 특성은 공동(Cavity) 현상이나 저항 없이 유체가 매끄럽게 흐르도록 표면 품질을 높이는 것이다. 이를 위하여 프로펠러 블레이드와 공구가 간섭되지 않으면서도 공구경로의 미스매치가 없이 효과적으로 1회 세팅으로 완가공이 가능한 5축가공 기술이 적용되고 있다.
	고성능의 프로펠러 설계 및 제작이 필요한 원인은 무엇인가?	임펠러는 회전 운동에너지를 반경방향의 유체에너지로 전환하는 반면 프로펠러는 축방향으로 전환함으로써 선박이나 기체를 추진하기 위한 핵심 부품이다. 최근 고부가가치 LNG선을 필두로 조선해양산업의 선진화를 추구하는 흐름이나 드론산업의 폭발적인 수요에 비추어 볼 때 고성능의 프로펠러 설계 및 제작은 필수적이다.

참고문헌 (7)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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